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故障检测与故障容错管理系统
故障检测与故障容错管理系统
开关磁阻电机驱动器
查尔斯M·斯蒂芬斯
通用电气公司研究与发展
斯克内克塔迪,纽约12301
摘要:
开关磁阻电机(SRM)具有独特特点,能提高电机的容错能力,这种能力可以使电机继续运行不管绕组故障或是在变频电路中。
电机各相磁场的独立和逆变器各相电路的独立允许开关磁阻电机驱动器继续运作即使一个或多个相的禁用。
绕组故障检测器显示出故障电机绕组的存在,另外控制电路阻止受影响相的半导体功率开关的门控信号,从而消除故障绕组励磁,消除能够产生持续励磁的故障绕组的影响。
该驱动器可以在无故障相继续运行。
Abstract:
Theswitchedreluctancemotor(SRM)possessesuniquecharacteristicsthatpromotethemotorforfaulttolerancecapability-theabilitytocontinueoperationdespitefaultedmotorwindingsorinvertercircuitry.ThemagneticindependenceofthemotorphasesandthecircuitindependenceoftheinverterphasespermittheSRMdrivetocontinueoperationwithoneormorephasesdisabled.Windingfaultdetectorsindicatetheexistenceoffaultedmotorwindings,andcontrolcircuitryactstoblockthegatingsignalstothesemiconductorpowerswitchesoftheaffectedphase,thusremovingexcitationfromthefaultedwindingandhaltingdamagingeffectsthatcanresultfromthecontinuedexcitationofafaultedwinding.Thedrivecancontinueoperationwithoutthefaultedphase.
引言:
驱动系统需要高度的可靠性,应考虑具有优越的容错特性的开关磁阻电动机。
由于电机各相磁场的独立和逆变器各相电路的独立,不论故障是在电机绕组还是逆变器某相都可以检测和隔离,不影响其他相。
这个驱动比减小隔离相占总相数的比例更加无误的运行。
比较下,故障绕组在多相交流电机上有更多严重的后果。
有故障的某一相将因为彼此定子绕组的磁耦合严重影响其他相得运行。
此外,对一个典型的三相异步电动机定子绕组是以星形或三角形连接以提高各相的电气耦合。
对断开的单相,通过断开绕组或电源开关失效,使多相电机变为单相励磁。
在作者公司有一个持续的研究项目,专注于开发开关磁阻电动机的容错特性以应对不同类型的错误。
这个项目以演示各种类型电机绕组的缺点入手。
电机绕组故障检测装置是以控制电路隔离故障绕组是通过阻断受影响相的半导体电源开关的控制信号而建立的。
这个开发是将实验室实施证明推广到的各种故障检测。
实验表明,故障的绕组可以应用于运行驱动,达到立即进行检测和隔离,使逆变电路不受到损害,也不引起运行错误。
驱动故障对性能影响的定义
起初,各种驱动故障对性能的影响只是直觉性怀疑,因此早期的开发的任务集中在至少定义的各种驱动故障对性能的影响。
这些性能影响因素是通过在一个实验室小型驱动上创建故障条件确定的。
这个SR电机的实验室驱动是一种大约1/2功率的小型四相电机。
图1为这种电机的几何图形。
线圈绕组方向完全相反的定子相互连接成一系列的相,相对的两相相连,分接到这一系列线圈的接线使故障绕组更易发现,从组合电机分离出来。
电动机上安装了一个测量仪,用来测量力矩和转速。
安装在电机上的加速度测量仪用来测量外部振动,另外霍尔电流探测仪用来测量系统中各点的电流。
单级逆变器的一个角位置确定该相的激磁间隔和霍尔电流检测器对电流滞后的效准[1]。
图1:
a、实验电机所用的几何四相SRM
b、允许外部故障时半相绕组接线
以下类型的故障模式在实验室中创建:
——断相,开路
——断相,短路
——线圈两极短路
——接触短路
——相与相电流短路
图2:
四相SR驱动转化电路,图示S1~S5为故障条件开关。
图2所示为在逆变电路中连接故障和开关断开的情况(一些反激变换器二极管在这个图中省略)。
当驱动静态运行时,故障连接(或断开)时,驱动将降低速度,同时注意任何可能的破坏条件。
短路时通过减校一系列电阻,直到大部分短路电路能够或得电流。
当电机的某相从逆变电路中断开(开关1断开),该相位的电流大小将减小到原来的3/4,而外部感应电流没有增加。
这并不是说没有增加脉动转矩,而是直到某一相明显减少大量脉动转矩才会增加。
但转矩脉动不产生明显的可测量的增加振动。
不论断开相电路是开路(开关2断开)还是短路(开关2闭合)对驱动的性能没什么影响;这是因为电机各相独立励磁相互之间产生很小的影响,只在断开和短路相产生十分微小的电流。
电源开关在集成电路中失效时,将被关断,与断相的影响是相同。
个别故障的将起减振效果,使扭矩增大,因此会引起电动机和逆变器的故障。
两级线圈短路时,会引起连接半相与同相终端的抽头的故障(开关3断开)。
这个接头准备复制故障线圈短接的部分。
在这种情况下,故障电路没有与此相端子断开,而且电路在电路保持器下维持在原来的状态,因此没有因结构引起过电流现象。
但是由于励磁的不平衡会引起外部感应电势的增加。
通过完全相反的绕组激磁,转子将被牵引偏离中心,重击轴承。
这个时间比例变化电路在故障相位中所占比例很大,因为故障相的感应系数很小。
在霍尔电路规则中对于同种影响开关频率影响较大。
线圈将下降到原来的7/8(有7/8的线圈仍然在运行)。
接地故障是半相直接接在直流源的负极(开关4闭合)。
这种连接将复制对地短路的一些部分像定子磁心这些线圈的故障。
在这种情况下,常规电流电路检测器将避免此相端子和旁路故障,在故障下允许一部分相位流过较大的电流。
这种过电流很容易引起上部电源开关的故障。
励磁的不平衡将引起外部振动的增大。
相与相之间的故障是由于两个相邻相中间接头连在一起引起的。
这种连接将引起故障,能使两个相邻线圈电极发生相互短接。
当两相同时激磁时,在间隔转化电路中,故障电路随着部分随从相去降低签一相。
这种故障电路可以扩大,而且使外部励磁增大。
这一些列故障现象将在表1中总结
表1
各种故障影响产生的现象
四相开关磁阻电机
故障条件相对输出振荡增加?
过电流?
正常运行1.0--
断相或开路3/4否否
断相,短路3/4否否
线圈两极短路7/8是否
接触短路>7/8是剧烈
相与相电流短路1.0是是
最有害的影响(振荡和过量电流)在一相短接到一些连接模式时产生。
断相(或无励磁相位)相对较好,只是在线圈上引起减小。
因此故障管理策略是从本质上推断这里应该有某种方法来探测短接故障,然后限制受影响相电源开关门极电压,从而使驱动故障情况下以更良性的模式工作。
故障检测装置
一些故障检测装置被开发,而且在实验室中运用测定其功效。
这种装置必须能够快速的运行以阻止在运行过程中故障使反向电源开关引起灾难性后果。
一个有效的故障检测装置是一个简单的过电流检测器,通过电流检测器信号运行,根据相电流的正常范围设置一个比较值。
这种探测仪十分容易生效,但是不能快速反应,因为故障指示不稳定,直到电流十分高才能检测出来。
只要检测器通过电流检测运行,就不能检测所有类型的故障;早期的部分描述故障都是忽略电流检测器。
图3、电流微分检测器
电流差动探测器,如图3,采用了铁芯电流转化器。
输入和输出相引线是通过CT中心,所以在正常运行中感应电流相等、反向,而且没有网络流量集中在CT的核心。
当产生故障时,一部分的相电流将从线圈中释放,而且有网络流量集中在CT的核心,使CT产生的磁流量。
这种检测器反应迅速;它在故障产生的一瞬间开始运行,不用等到故障电流超过正常范围。
这种检测器运用于检测接地故障和相与相故障,但不适用于线圈短路故障,这种CT能够方便的安装在反相器内。
图4流量微分检测器
流量微分检测器,如图4所示,利用检测定子线圈,检测各对反向连接的线圈实现。
所以在正常运行时检测线圈的感应电势是相等、反向的,在各系列成对的绕组网络端子上电压为0。
当有一个故障产生时将引起励磁电流的不平衡,使一边电压高于另一边,产生的网络电压经过双向比较将被检测到。
这种检测器运用于检测接地故障、相与相故障和线圈短接故障,这是电流微分检测器不能完成的。
它能检测到线圈短接故障,包括很小数量的线圈短接。
不幸的是,在实际中这种检测器过于灵敏,它将把其他相也认为是故障相(在不平衡部分中产生的磁流量流过其他相,也认为是故障)。
在其他相感应到电流时这种探测器在运行中将受到限制。
附加动力组合得十分复杂,多余的接线将对这种测量仪附加危害。
图5:
升压比例检测器
升压比例检测器如图5所示,由线性磁场耦合器放置在各相线圈引线附近而构成。
这个线性耦合器比CTs要小,但是次要的是当连接到高阻值的负载时,它本质相当于开路,而且中心是由磁性材料组成,将延长运行范围。
线性耦合器的输出电压与随时间变化的相电流成比例。
当发生故障时,比如一部分相得线圈短路,使该相的感应电感减小,随时间变化的相电流将超过正常水平,同时线性耦合器的输出一个适当临界比较器。
这个临界比较器值不能在正常运行时的最小电感是产生反应,有些可能是单纯的电感或电感增加得较小,但看似接近高度饱和磁场。
这个感应器将对各种故障产生反应,但是会缺少因为限制阈值缺少灵敏度。
然而他能快速直接十分严格的反应超过比较器阈值的故障。
这个线性耦合器能够安装在反相器的封装里。
所有的检测器都是比较线圈提供的一个故障标志逻辑信号进行工作的。
反相器包含有简单的逻辑电路,在产生故障标志时切断门极电路。
这个逻辑电路包含一个R-S锁存器来保存故障标志,同时复制一个故障的约束,在下次励磁完全之前,直到该相阈值复位。
假设故障相互联系,锁存器将在励磁间隔被清0,如果故障标志复制被接受后,锁存器将被一直设置。
故障中断性能
故障传感仪和门极阻断电路在实验驱动上对中断故障十分有效。
所有故障能够足够迅速组短故障的电源开关,并且所有故障都正确处理。
图6所示为电流微分器检测器应用于接地故障时的性能。
上面的一个示波图显示的是相电流,下面显示的是通过CT副边漏电阻的电压。
故障连接在霍尔额定电流的上升沿期间。
纪录在故障出现后由于相电感的降低电流非常迅速的升高。
由于CT的副边反应近似步进输入,同时检测器的的比较器范围只有几毫伏,直到CT副边明显满值都会很好运转。
电源开关在相电流开始放电时断开。
相电流放电缓慢因为接地故障引起的在上面部分的线圈和二极管的单相传动循环。
图6在接地故障时故障感应器的性能
如图7所示的是比例上升检测器应用于线圈短路故障时的性能。
上面的波形还是相电流,下面的波形是线性耦合器的电压输出。
故障出现在常规霍尔电流的下降沿。
纪录了在故障出现后由于相电感的降低电流非常迅速的升高。
耦合器电势感应磁场变大,但是感应器的比较器没有直接运行,而是到了常规电流的上升沿才开始。
图7、线圈短路故障时故障检测器的性能
一个特别严重的故障是脱相故障,即整个线圈短路。
线圈上的电感和电阻全都短路,使电流立即上升十分大的值。
图8所示为比例上升感应器在脱相故障中应用的性能。
在故障发生后电流冲破比例范围,耦合电压升到了18V(被反向连接的稳压二极管限制)。
故障在15微秒后中断。
这种故障十分像桥式反向器在交流电机中的击穿故障。
图8、故障检测器在脱相故障中的应用性能
在故障隔离后保持衡量输出
在探测故障隔离该相后,减小SR驱动器转矩和电流输出,在一些应用中会引起异常。
如果在设计驱动器时有充分的磁力和大量的能量,保持运行的相位被驱动更加多的补偿被隔离相位减少的。
采用一个简单的自动运行技术,用一个封闭循环的速度控制器实现。
图9所示为一个系统对实验设备的补偿。
理想速度设置在一个电位器上,电位器信号与电角度旋转模拟速度信号进行比较。
速度的错误信号将提供给一个比例积分控制器与模拟观测电路进行比较。
PI控制器的输出将提供给额定电流的霍尔电路,从而控制相电流的大小。
随着故障相的隔离,设备速度因为转矩的减小而减小。
这是就产生一个速度错误信号,使PI控制器的的输出增加来抵制较大的相电流,同时正常运行的相位产生力矩直到设备速度恢复到正常点。
图9、封闭系统速度控制器在一相隔离后保持比较输出
一个可以在数字系统中应用的更复杂的控制器,可以对转子的位置进行时间、位置励磁间隔的调整。
这是另一种开关磁阻驱动器输出控制,特别是对额定电流霍尔电路运行模式不适用【1】。
在隔离相得情况下启动电机
另外需要注意的一点是当一个转子内包含故障隔离相时启动SR驱动器。
一些类型的驱动器直接反向,然后静止;这里没有呈现出问题因为对反向转矩死区不是同时发生。
就像前面所提到的,这里必须保持充足的动力角带动转子通过转矩死区。
对于一个极端精细的驱动,有一个精巧的特性。
死区驱动技术是使驱动回退几步,然后在原来的方向重新开始。
结论
开关磁阻电机的高级容错特性已经在实验系统设备中得到证实。
SR驱动器能够应用在各种电机和逆变故障电路中,而且能够持续运行,是其他电气驱动所不能相比较的。
开关磁阻电机在励磁独立的多相电机和电流独立的谐振逆变器中能够使用。
某相的故障不会影响其他相得运行,而且驱动能在一相或多相缺少的情况下持续运行。
早期的实验确定了各种类型电机绕组故障对性能的影响。
一个短路电机相持续的励磁将引起破坏的过电压和剧烈的机械振荡,但是断相或短相只是降低了对断相以外的转矩输出比例。
优先的执行过程是检测短路线圈,通过关该相电源开关的断门极信号,隔离受影响的相,在较良性的情况下改变驱动。
线圈故障检测器是以检测电机短路线圈为原理。
当故障检测仪发出故障信号时,逻辑电路的电源开关逆变块向受影响相位发送关断信号。
故障检测仪在试验系统设备中验证了故障能够在运行的电机被发现,从而在没有对逆变器引起灾难性后果和电机报警的情况下立即隔离。
开关磁阻电机驱动器在航空业、工业、汽车业中现实故障检测和管理系统中应该选择更加理想保险可靠的驱动系统。
不断研究提高容错能力的因素,甚至将超过现在所描述的。
参考文献
【1】T.J.L.米勒,《开关磁阻电机驱动》,InterteccommunicationsInc.,1988年,50~69页。
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- 关 键 词:
- 故障 检测 容错 管理 系统